Combustor

het doel van de combustor in een gasturbine is om energie toe te voegen aan het systeem om de turbines aan te drijven, en een hoge snelheid gas te produceren om door het mondstuk in vliegtuigtoepassingen af te voeren. Zoals met elke technische uitdaging, vereist het bereiken van dit evenwicht veel ontwerp overwegingen, zoals de volgende:

• verbrand de brandstof volledig. Anders verspilt de motor de onverbrande brandstof en veroorzaakt het ongewenste emissies van onverbrande koolwaterstoffen, koolmonoxide (CO) en roet.
• Low pressure loss across the combustor. De turbine die de combustor voedt, heeft een hoge druk nodig om efficiënt te kunnen werken.
• de vlam (verbranding) moet in de verbrandingsmotor worden gehouden. Als de verbranding verder terug in de motor plaatsvindt, kunnen de turbinefasen gemakkelijk oververhit raken en beschadigd raken. Aangezien turbinebladen steeds geavanceerder worden en hogere temperaturen kunnen weerstaan, worden de verbrandingsmotoren ontworpen om bij hogere temperaturen te branden en moeten de delen van de verbrandingsmotor worden ontworpen om die hogere temperaturen te weerstaan.
• het moet op grote hoogte kunnen worden verlicht wanneer de motor uitbrandt.
• Uniform uitgangstemperatuurprofiel. Als er hotspots in de uitstroom zijn, kan de turbine worden blootgesteld aan thermische belasting of andere soorten schade. Ook het temperatuurprofiel in de combustor moet hotspots vermijden, omdat deze een combustor van binnenuit kunnen beschadigen of vernietigen.
• kleine fysieke grootte en gewicht. Ruimte en gewicht zijn een premium in vliegtuigtoepassingen, dus een goed ontworpen combustor streeft ernaar compact te zijn. Niet-vliegtuigtoepassingen, zoals gasturbines voor energieopwekking, worden door deze factor niet zo beperkt.
• breed toepassingsgebied. De meeste brandblussers moeten kunnen werken met verschillende inlaatdrukken, temperaturen en massastromen. Deze factoren veranderen zowel met de motor-instellingen als met de omgevingsomstandigheden (dat wil zeggen dat volgas op lage hoogte heel anders kan zijn dan stationair gas op grote hoogte).
• milieu-emissies. Er zijn strenge regels voor de uitstoot door vliegtuigen van verontreinigende stoffen zoals kooldioxide en stikstofoxiden, dus moeten brandbommen worden ontworpen om die uitstoot te minimaliseren. (Zie de Emissiesectie hieronder))

bronnen:

HistoryEdit

vooruitgang in de combustor-technologie was gericht op verschillende verschillende gebieden; emissies, werkbereik en duurzaamheid. Vroege straalmotoren produceerden grote hoeveelheden rook, dus vroege combustor vooruitgang, in de jaren 1950, waren gericht op het verminderen van de rook geproduceerd door de motor. Toen de rook in wezen was geëlimineerd, werden in de jaren zeventig pogingen ondernomen om andere emissies te verminderen, zoals onverbrande koolwaterstoffen en koolmonoxide (voor meer details, zie het hoofdstuk emissies hieronder). De jaren zeventig zagen ook een verbetering in de duurzaamheid van de combustor, omdat nieuwe productiemethoden de levensduur van de voering (zie onderdelen hieronder) bijna 100 keer zo lang verbeterden als die van de vroege voeringen. In de jaren tachtig begonnen brandbakkers hun efficiëntie over het hele werkbereik te verbeteren; brandbakkers waren over het algemeen zeer efficiënt (99%+) bij vol vermogen, maar die efficiëntie daalde bij lagere instellingen. Ontwikkeling in dat decennium verbeterde de efficiëntie op lagere niveaus. In de jaren negentig en de jaren 2000 werd opnieuw de nadruk gelegd op het verminderen van emissies, met name stikstofoxiden. Combustor-technologie wordt nog steeds actief onderzocht en geavanceerd, en veel modern onderzoek richt zich op het verbeteren van dezelfde aspecten.

Componentedit

geval

het geval is de buitenste schil van de combustor, en is een vrij eenvoudige structuur. De behuizing vereist over het algemeen weinig onderhoud. De behuizing wordt beschermd tegen thermische belastingen door de lucht die erin stroomt, dus thermische prestaties zijn van beperkt belang. De behuizing dient echter als drukvat dat bestand moet zijn tegen het verschil tussen de hoge druk binnen de combustor en de lagere druk buiten. Die mechanische (in plaats van thermische) belasting is een drijvende ontwerpfactor in het geval.

diffusor

het doel van de diffusor is het vertragen van de hoge snelheid, sterk gecomprimeerde lucht van de compressor tot een snelheid die optimaal is voor de verbrandingsmotor. Het verminderen van de snelheid resulteert in een onvermijdelijk verlies aan totale druk, dus een van de ontwerpuitdagingen is om het drukverlies zoveel mogelijk te beperken. Bovendien moet de diffuser zo zijn ontworpen dat de stroomvervorming zoveel mogelijk wordt beperkt door stromingseffecten zoals scheiding van de grenslaag te vermijden. Net als de meeste andere gasturbinemotorcomponenten is de diffuser zo kort en licht mogelijk ontworpen.

Liner

de liner bevat het verbrandingsproces en voert de verschillende luchtstromen (tussenliggende, verdunning en koeling, zie hieronder luchtstromingsroutes) in de verbrandingszone. De voering moet zodanig zijn ontworpen en gebouwd dat zij bestand is tegen langdurige cycli bij hoge temperaturen. Om die reden voeringen hebben de neiging om te worden gemaakt van superlegeringen zoals Hastelloy X. Bovendien, hoewel high performance legeringen worden gebruikt, moeten de voeringen worden gekoeld met luchtstroom. Sommige branders maken ook gebruik van thermische barrièrecoatings. Echter, luchtkoeling is nog steeds nodig. In het algemeen zijn er twee belangrijke soorten voering koeling; filmkoeling en transpiratiekoeling. Filmkoeling werkt door koele lucht van de buitenkant van de voering naar de binnenkant van de voering te injecteren (volgens een van de verschillende methoden). Hierdoor ontstaat een dunne laag koele lucht die de voering beschermt, waardoor de temperatuur aan de voering wordt verlaagd van ongeveer 1800 Kelvin (K) tot ongeveer 830 K, bijvoorbeeld. Het andere type voering koeling, transpiratie koeling, is een meer moderne aanpak die gebruik maakt van een poreus materiaal voor de voering. De poreuze voering zorgt ervoor dat er een kleine hoeveelheid koellucht doorheen kan, waardoor koeling voordelen biedt die vergelijkbaar zijn met filmkoeling. De twee belangrijkste verschillen zijn het resulterende temperatuurprofiel van de voering en de benodigde hoeveelheid koellucht. Transpiratiekoeling resulteert in een veel gelijkmatiger temperatuurprofiel, omdat de koellucht gelijkmatig door de poriën wordt ingebracht. Filmkoellucht wordt over het algemeen geïntroduceerd door lamellen of lamellen, wat resulteert in een ongelijk profiel waar het koeler is aan de lat en warmer tussen de latten. Nog belangrijker, transpiratiekoeling gebruikt veel minder koellucht (in de Orde van 10% van de totale luchtstroom, in plaats van 20-50% voor filmkoeling). Het gebruik van minder lucht voor koeling maakt het mogelijk om meer te gebruiken voor verbranding, wat steeds belangrijker is voor high performance, high thrust motoren.Snuit

snuit

de snuit is een verlengstuk van de koepel (zie hieronder) die fungeert als een luchtsplitter, die de primaire lucht scheidt van de secundaire luchtstromen (tussen -, verdunning-en koellucht; zie hieronder de sectie luchtstroombanen).

Dome / swirler

de dome en swirler zijn het deel van de combustor waar de primaire lucht (Zie de luchtstroombanen hieronder) doorheen stroomt wanneer deze de verbrandingszone binnenkomt. Hun rol is om turbulentie in de stroom te genereren om de lucht snel te mengen met brandstof. Vroege brandbustors hadden de neiging om bluff body koepels te gebruiken( in plaats van wervelingen), die een eenvoudige plaat gebruikten om zog turbulentie te creëren om brandstof en lucht te mengen. De meeste moderne ontwerpen zijn echter wervelstabiel (gebruik wervelingen). De swirler stelt een lokale lage drukzone in die sommige verbrandingsproducten dwingt te recirculeren, waardoor de hoge turbulentie ontstaat. Echter, hoe hoger de turbulentie, hoe hoger het drukverlies zal zijn voor de combustor, dus de koepel en wervelkolom moeten zorgvuldig worden ontworpen om niet meer turbulentie te genereren dan nodig is om voldoende brandstof en lucht te mengen.

Brandstofinjector

de brandstofinjector is verantwoordelijk voor het inbrengen van brandstof in de verbrandingszone en, samen met de wervelkolom (hierboven), is verantwoordelijk voor het mengen van brandstof en lucht. Er zijn vier primaire typen brandstofinjectoren; druk-verstuiving, lucht blast, vaporizing, en premix/prevaporizing injectoren. Druk verstuivende brandstofinjectoren vertrouwen op hoge brandstofdrukken (tot 3.400 kilopascal (500 psi)) om de brandstof te verstuiven. Dit type Brandstofinjector heeft het voordeel dat het zeer eenvoudig, maar het heeft een aantal nadelen. Het brandstofsysteem moet robuust genoeg zijn om dergelijke hoge druk te weerstaan, en de brandstof heeft de neiging om heterogeen te worden verstoven, wat resulteert in onvolledige of ongelijke verbranding die meer verontreinigende stoffen en rook heeft.

het tweede type Brandstofinjector is de “air blast injector”. Deze injector “Blast” een vel brandstof met een stroom van lucht, verstuift de brandstof in homogene druppels. Dit type Brandstofinjector leidde tot de eerste rookloze brandstofinstallaties. De gebruikte lucht is net dezelfde hoeveelheid van de primaire lucht (Zie luchtstroompaden hieronder) die wordt omgeleid door de injector, in plaats van de wervelkolom. Dit type injector vereist ook lagere brandstofdrukken dan de druk verstuivende type.

de verdampende Brandstofinjector, het derde type, is vergelijkbaar met de luchtstraalinjector, aangezien de primaire lucht met de brandstof wordt gemengd wanneer deze in de verbrandingszone wordt geïnjecteerd. Het brandstof-luchtmengsel gaat echter door een buis binnen de verbrandingszone. Warmte uit de verbrandingszone wordt overgebracht naar het brandstof-luchtmengsel, waardoor een deel van de brandstof verdampt (beter mengen) voordat deze wordt verbrand. Deze methode maakt het mogelijk om de brandstof te verbranden met minder thermische straling, die helpt de voering te beschermen. De verdamperbuis kan echter ernstige duurzaamheidsproblemen hebben met een lage brandstofstroom erin (de brandstof binnenin de buis beschermt de buis tegen de verbrandingswarmte).

de voormengende / prevaporiserende injectoren werken door de brandstof te mengen of te verdampen voordat deze de verbrandingszone bereikt. Met deze methode kan de brandstof zeer gelijkmatig met de lucht worden gemengd, waardoor de emissies van de motor worden verminderd. Een nadeel van deze methode is dat brandstof automatisch kan ontbranden of op een andere manier kan ontbranden voordat het brandstof-luchtmengsel de verbrandingszone bereikt. Als dit gebeurt kan de combustor ernstig beschadigd raken.Ontstekers

ontstekers

de meeste ontstekers in gasturbinetoepassingen zijn elektrische ontstekers, vergelijkbaar met bougies voor auto ‘ s. De ontsteker moet zich in de verbrandingszone bevinden waar de brandstof en de lucht al gemengd zijn, maar hij moet ver genoeg stroomopwaarts zijn zodat hij niet door de verbranding zelf wordt beschadigd. Zodra de verbranding in eerste instantie door de ontsteker wordt gestart, is deze zelfvoorzienend en wordt de ontsteker niet meer gebruikt. Bij can-ringvormige en ringvormige brandbommen (zie soorten brandbommen hieronder) kan de vlam zich van de ene verbrandingszone naar de andere verspreiden, zodat ontstekers niet bij elke verbrandingszone nodig zijn. In sommige systemen worden ontstekings-assist technieken gebruikt. Een dergelijke methode is zuurstofinjectie, waarbij zuurstof wordt toegevoerd naar het ontstekingsgebied, waardoor de brandstof gemakkelijk verbrandt. Dit is vooral handig in sommige vliegtuigtoepassingen waar de motor op grote hoogte opnieuw moet starten.

luchtstroomweg

primaire lucht

dit is de belangrijkste verbrandingslucht. Het is sterk samengeperste lucht van de hogedrukcompressor (vaak vertraagd via de diffuser) die wordt gevoed door de hoofdkanalen in de koepel van de combustor en de eerste set voering gaten. Deze lucht wordt gemengd met brandstof en vervolgens verbrand.

Tussenlucht

Tussenlucht is de lucht die via de tweede reeks linergaten in de verbrandingszone wordt geïnjecteerd (primaire lucht gaat door de eerste reeks). Deze lucht voltooit de reactieprocessen, koelt de lucht af en verdunt de hoge concentraties koolmonoxide (CO) en waterstof (H2).

verdunningslucht

verdunningslucht is luchtstroom die wordt geïnjecteerd door gaten in de voering aan het einde van de verbrandingskamer om de lucht te helpen afkoelen voordat deze de turbinefase bereikt. De lucht wordt zorgvuldig gebruikt om het gewenste uniforme temperatuurprofiel in de combustor te produceren. Naarmate de turbinebladtechnologie echter verbetert, waardoor ze hogere temperaturen kunnen weerstaan, wordt er minder verdunningslucht gebruikt, waardoor meer verbrandingslucht kan worden gebruikt.

koellucht

koellucht is luchtstroom die door kleine gaatjes in de voering wordt geïnjecteerd om een laag (film) koele lucht te genereren om de voering tegen de verbrandingstemperaturen te beschermen. De implementatie van koellucht moet zorgvuldig worden ontworpen zodat deze niet direct interageert met de verbrandingslucht en het proces. In sommige gevallen wordt maar liefst 50% van de inlaatlucht gebruikt als koellucht. Er zijn verschillende methoden om deze koellucht te injecteren en de methode kan het temperatuurprofiel waaraan de voering wordt blootgesteld beïnvloeden (zie de voering hierboven).